热喷涂技术原理及其应用

热喷涂技术原理及其应
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Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
热喷涂技术原理及其应用摘要：对于一些超薄零件，在其表面喷涂具有高强度、硬度较高耐磨性的陶瓷涂层，增加零件的耐磨性。

热喷入技术是制备涂层的主要方法，目前正迅速应用到民用工业领域。

本文主要介绍了热喷涂工艺的特点、喷涂方法的种类及其技术以及热喷涂技术的应用概况,并对热喷涂技术的发展方向给予了展望。

关键字：表面工程热喷涂涂层火焰喷涂
1绪论
磨蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。

据有关资料介绍，发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的损失约占国民经济总产值的4%～5%，而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。

我国每年由腐蚀和磨损造成的经济损失已达数亿人民币。

随着现代科学技术和现代工业发展，对各种设备零件的表面性能提出了更高的要求，特别是在一些特殊条件下工作的零件表面的耐磨性、耐蚀性及高温氧化性等。

因此改善材料表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命、节约资源，更有利于社会的发展[1]。

表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，表面技术分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类，而热喷涂技术是表面工程领域中十分重要的技术，约占表面工程技术的1/3，是国外50年代发展起来的一项机械零件修复和预保护的新技术。

它可以使各种机械设备车辆的零部件使用寿命延长。

使报废的零部件“起死回生”。

从学科上讲，热喷涂技术是一个涉及金属学、高分子学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理及计算机等学科的交叉边缘科学[2]。

热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择；二是热喷涂过程中工件温度可保持在100-260℃,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失，这些特征以及热喷涂涂层所具备的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、绝缘、隔热等特殊功能,使热喷涂技术得到迅速发展。

在选择一种涂层技术时应该考虑到涂层技术的经济性和技术性能，要在整个系统中考虑到表面涂层或其他表面改性和处理的方法，要知道表面要求的功能、服务环境、基材（合金、热处理等）所处理表面的性能，必须考虑到涂层自身的技术问题和经济性，涂层的使用寿命和优点，而不仅仅是涂层的生产成本。

涂层可以对材料表面性能（耐磨性、耐蚀性、耐热性等）进行强化或再生，起到保护作用，并对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。

同时，还可以赋予材料表面以特殊性能（电、光、磁等）。

现在生产实际中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂法（包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等）、等离子弧喷涂和电弧喷涂。

基于热喷涂市场的巨大潜力及其社会效益和经济效益，在世界范围内，热喷涂技术受到极大关注。

热喷涂技术是是表面工程的重要组成部分，与其他表面技术相比，热喷涂技术具有诸多优点：
1. 涂层的基体材料几乎不受限制，如金属材料、无机材料（玻璃、陶瓷）、有机材料（包括木材、布、纸类）等；
2. 基材性能不变化，除火焰喷熔工艺外，喷涂过程中基材受热温度低，不发生组织性能变化、变形小；
3. 施工对象的尺寸和形状不受限制，因此适用于不同领域，小至塞规、大至钢结构桥梁；
4. 喷涂厚度可在较大范围内变化。

5. 涂层材料种类广泛，如金属及其合金、陶瓷、塑料以及它们的复合材料；
目前，热喷涂技术已经越来越受到人们的重视。

国外学者预测，在20世纪末全世界的热喷涂市场每年将超过30亿美元[3]。

2 热喷涂技术
热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分，它是一种表面强化和表面改性技术。

它是1910年由瑞士的M U Se-hoop发明的，历经90多年，热喷涂是（粉末或线杆）经热源（火焰或电弧）加热至融化或半融化态，用高压气流令其雾化并喷射于工件上，塑态雾化金属粒子以很高速度打到工件表面成片层状结构堆积成涂层[4]。

通过金属基体表面喷涂一涂层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。

热喷涂技术主要用于高温、耐磨、耐腐蚀等部件的预保护、功能涂层的制备及对失效部件的修复等根据热热源来分，热喷涂有4种基本方法：电弧喷涂；火焰喷涂；等离子喷涂和特殊方法。

火焰喷涂就是以气体火焰为热源的热喷涂。

目前，火焰喷涂按火焰喷射速度分为：火焰喷涂，火焰冲击喷涂（爆炸喷涂）及超音速火焰喷涂3种。

电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂。

等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。

等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。

因此,几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。

涂层与基体的结合机理目前尚无公认的定论，通常认为有以下几种：机械结合；物理结合；微扩散结合；冶金结合[5]。

1.机械结合
飞向基材的熔融粒子撞击基材表面形，铺展成扁平状的液态薄片覆盖并紧贴基材表面的凸凹点上，在冷凝时收缩咬住凸点，形成机械结合。

2.物理结合
当高温、高速的熔融粒子撞击基材表面后，紧密接触的距离达到原子晶格常数范围时，就会产生范德华力而形成物理结合。

3.扩散结合
当熔融的喷涂材料高速撞击基材表面形成紧密接触时，由于变形、高温等作用，在涂层与基体间有可能产生微小的扩散，增加涂层与基材间的结合强度。

4.冶金结合
在喷涂放热型喷涂材料时，基材表面的微区内接触温度可达基材的熔点，就有可能使熔融粒子与基材间形成微区的冶金结合。

近年来，热喷涂技术取得了很大进步，热喷涂的工艺和设备以及材料也都有了很快的发展。

热喷涂材料的发展
热喷涂材料的发展大致经历了三个阶段。

以金属和合金为主的粉末和线材，主要包括铝、锌、镍、钴和铁等到自熔合金粉末，并先后发展了耐磨、耐高温、抗燃气腐蚀及隔离热等陶瓷和金属陶瓷涂层材料，使热喷涂技术开始从简易维修车间步入宇航和飞机等高技术产业领域[6]。

70年代中期出现的一系列的复合粉和自粘结喷涂粉，80年代又出现了用于电弧喷涂的夹芯焊丝，其特征是材料成分与结构的复合，从而改进了喷涂工艺和涂层的性能。

在各种新型、优质热喷涂技术不断涌现的情况下,热喷涂材料已成为制约热喷涂技术应用和发展的关键。

热喷涂材料的分类和发展概况列于表。

通常按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等;按材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料、生物材料;按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。

目前,为了满足对材料多功能、高性能等的要求,多种材料的复合、纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。

表热喷涂材料概况
GENERALSITUATIONOFTHERMALSPRAYMATERIALS
陶瓷材料因其优异的高温性能而成为热喷涂技术中常用的一种喷涂材料。

表列出部分陶瓷涂层的性能和应用情况。

这类材料主要用于高温部件(发动机等)的腐蚀、氧化及磨损防护。

WC基金属陶瓷涂层材料适宜于各种磨粒、冲蚀和滑动磨损的防护。

下面是我们所用的陶瓷喷涂材料的简介。

表陶瓷材料涂层
CERAMICMATERIALCOATING
热喷涂技术分类与特点
热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源的动力或外加的压缩气流，将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的粒束，以一定的速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法[7]。

一般认为，热喷涂过程经历 4个阶段，即喷涂材料加热熔化
阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。

根据所用的不同热源，热喷涂技术分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）和其他喷涂技术等多种方法。

（1）火焰喷涂
火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法。

它以氧气－燃气火焰作为热源，喷涂材料以一定的传送方式送入火焰，并加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰加速喷射到基体上。

火焰喷涂根据喷涂材料的不同，又可分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂几种。

火焰喷涂具有设备简单，操作容易，工艺成熟，投资少等优点。

新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末材料的涂层。

尽管等离子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸喷涂的涂层优于常规火焰喷涂，但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工，应用范围受到极大限制，在在防腐和维修市场难以推广普及，新型火焰喷涂设备与技术和超音速电弧喷涂设备与技术在防腐和修复市场中永远是主要技术力量。

（2）电弧喷涂
电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一项工艺，是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。

电弧喷涂是将2根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，分别接通电源的正负端，在喷枪喷嘴处，利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身，借助压缩空气雾化熔滴并使之加速，喷射到基体材料表面形成涂层。

电弧喷涂具有如下优点：①热效率高、对工件的热影响小。

一般火焰喷涂的热效率只有5%～15%，电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属，热能利用率可高达60%～ 70%。

电弧喷涂时不形成火焰，因而在喷涂过程中工件始终处于低
温，避免了工件热变形；②可获得优异的涂层性能。

电弧喷涂技术可以在不使用贵重底材的情况下得到较高的结合强度，采用适当的喷前粗化处理方法，喷涂层与基本结合强度可达普通火焰喷涂层的 2倍以上。

使用2根成分不同的金属丝还可以制备出假合金涂层，以获得具有独特综合性能的涂层；③生产率高。

电弧喷涂的生产效率正比于喷涂电弧电流，当电弧电流为300 A时，喷涂锌为
30kg/h，喷涂铝为10kg/h，喷涂不锈钢为15kg/h，为火焰喷涂的3倍以上；④经济性好。

电弧喷涂能源利用率高，而且电能的价格远远低于燃气价格，施工成本为火焰喷涂的l/10以下，设备投资为等离子喷涂的1/3以下。

电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显着成效。

利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，可对钢构件进行长效防腐防护，例如我国南海地区由于高温、高湿、高盐雾，船舶腐蚀严重，中修舰船的钢结构应用电弧喷涂铝合金涂层防腐，经5年考核效果明显，测算预计寿命可提高到15a以上。

山西晋山煤矿、河南铁王沟煤矿等井筒钢结构进行电弧喷涂防腐防护，预计寿命在 30a以上。

电弧喷涂作为一种优质的修复技术，在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复已磨损或尺寸超差的部位，已在机械维修和机械制造业得以应用。

采用该技术修复造纸烘缸、修复大马力发动机曲轴也已取得明显成效；制备装饰涂层和功能涂层也是电弧喷涂技木应用的另一重要领域，例如在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽涂层，在内燃机零件上制备热障涂层，在石头、石膏等材料上喷涂铜、锡、铝等金属进行装饰等等。

（3）等离子喷涂
等离子喷涂是热源为等离子焰流（非转移等离子弧）。

由放电弧产生的电弧等离子体温度可达20000K。

加热喷涂材料（粉）到熔融或高塑性状态，并在高速
等离子焰流（工作气体为氮气和氢气或氩气和氢气）载引下，高速撞击到工件表面形成涂层。

等离子喷涂是采用非转移弧为热源，喷涂材料为粉末的喷涂方法。

近十几年来等离子喷涂发展很快，目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂、等喷涂技术，等离子喷涂已成为热喷涂技术中的最重要的一项工艺方法，这些新技术在工业生产上的应用日益显示出优越性和重要性。

等离子喷涂的喷涂材料范围广，涂层组织细密，氧化物夹渣含量和气孔率都较低，气孔率可控制到2%～5%，涂层结合强度较高，可达60MPa以上。

该喷涂技术主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层，已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、轻纺、电子和高新技术等领域里得到广泛应用。

（4）高速火焰喷涂（HVOF）和其他喷涂技术
高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂[8]，有时人们也将爆炸喷涂认为是高速火焰喷涂的一种。

高速火焰喷涂技术，将燃气（丙烷、丙稀或氢气）和氧气输入并引燃于燃烧室，借助于气体燃烧时产生的高温和高压形成的高速气流，加热熔化喷涂粉末并形成一束高速喷涂射流，在工件上形成喷涂层。

高速火焰喷涂的特点：气体燃烧膨胀形成的热气流使喷涂粒子达到极高的飞行速度。

火焰喷射速度为音速的2倍以上，而喷涂熔粒的速度可达 300～1000m·s－1；喷涂粉粒在火焰中加热时间长，受热均匀，能形成良好的微小熔滴；喷涂粉粒主要在喷涂枪中加热，离开喷枪后飞行距离短，因而和周围大气接触时间短，在喷涂过程中几乎不和大气发生反应，喷涂材料不受损害，微观组织变化小，这对喷涂碳化物材料特别有利，可避免分解和脱炭。

基于以上特点，高速火焰喷涂获得的涂层光滑，致密性好，结合强度高。

涂层空隙率可小于%，结合力可达100MPa以上。

被广泛用于制备高致密性、高结合强度、低孔隙率要求的涂层。

例如喷涂WC-12%Co，涂层几乎没有气孔，而且硬度高，加工后可达镜面。

但是，由于高速火焰喷涂的设备及喷涂材料等成本太高，不适合我国国情，限制了其在我国的应用。

同样，爆炸喷涂和激光喷涂也是由于这个原因限制其推广应用。

3 热喷涂粉芯线材的发展
粉芯丝材的特点
粉芯线材（Cored Wire）也称为管状丝材或药芯丝材，是由金属外皮加上不同类型的金属、合金粉末、陶瓷及非金属化合物粉末等构成，因此它同时具有热喷涂粉末与实芯丝材两种材料的特点。

实芯丝材是经过熔炼、浇注、拔丝等工序加工而成，主要应用于火焰喷涂和电弧喷涂，操作方便，效率高，但存在的问题是：成分调节困难，调节成分时必须改变熔炼合金系统的成分，然后经过熔炼、拔丝等工序，周期长，成本高，对于研究用的少量线材，需要经常调节丝材成分时尤为困难。

而且对于特殊的合金材料，往往不能加工成线材，因此，实芯丝材往往品种较少，性能也受到限制，并且轧制设备投入成本较高，受金属外皮可加工性能的限制。

金元素的加入量，受到粉末粒度、比重以及加粉系数的影响。

粉芯丝材加粉系一般为加20%~50%左右，一些高合金的丝轧制困难，使喷涂层的合金成分也受到一定的限制[9]。

粉末材料的特点是成分调节容易，只要改变粉末成分，就能获得各种特殊性能的涂层，但是粉末只能采用火焰喷涂和等离子喷涂，效率低，稳定性差。

粉芯线材结合了粉末与实芯丝材的优点，克服了它们各自的不足，既能方便的根据涂
层成分要求来调节线材成分，以获得各种成分的涂层，同时加工方便，质量好、成本低、使用设备简单、操作方便，因此粉芯线材的研究前景非常广阔[10]。

粉芯线材的加工工艺
裁带轧带加粉
拔丝
图粉芯线材轧制过程示意图[11]
Fig. Schematic diagram of the rolling progess of cored wire 粉芯线材的制作包括配粉、混粉、轧丝、拔丝、绕丝、包装等工序。

一般先将10mm ×冷轧钢带或镍带、铝带等通过成型辊弯曲成U型断面，将称量好的药芯粉末通过送粉器填充到U型槽中，然后将填充后的带材通过成型辊进行密闭并压紧丝材，封闭后的丝材通过拔丝模进行逐级拉拔减径，拉拔后丝材成品一般为Φ2mm。

粉芯线材的加工流程图和轧制过程分别如图和图所示。

粉芯线材的发展与应用
粉芯线材的研究最早始于60年代，初始目的是为了克服冶金方面的限制。

直到70年代初期，才开始尝试粉芯线材的电弧喷涂，但是这些尝试不是很成功，因为当时粉芯线材刚度差，送丝困难。

到了80年代，才克服了这一主要缺点，使金属粉芯线材在热喷涂领域有了较大发展[12]粉芯线材制备了耐磨涂层，并认为采用粉芯线材电弧喷涂能获得与等离子喷涂层相当的耐磨涂层。

此外，还将稀土元素加入到粉芯线材中，研究了稀土元素对涂层性能的影响。

随后美国、日本、韩国、乌克兰、新加坡也相继投入开发。

美国把金属粉芯线材成功用于汽车
车身修理、锅炉等方面；英国金属股份有限公司研制了Stelloy35、50、51三种既能提高涂层强度又能改善涂层完整性的粉芯线材；韩国将镍基、钴基自熔合金、铁基非晶合金、陶瓷合金用于粉芯线材，热喷涂修复达到了抗氧化、耐硫化、耐熔盐均佳的效果；粉芯线材在电弧喷涂上的应用。

到了90年代初，粉芯线材进入商品化阶段，新型粉芯线材层出不穷，大大促进了电弧喷涂的发展，特别是美国，近年来已经开发了多种耐磨、耐腐蚀热喷涂粉芯线材，并已广泛应用于造纸、电力、化学、汽车制造等工业领域。

从目前国内的情况来看，近年来，北京有色金属研究总院、北京工业大学、装甲兵工程学院在热喷涂粉芯线材的研制和推广方面作了大量的工作。

其中北京有色金属研究总院首先研制出喷涂用Ni-Al打底复合丝；全军装备表面工程中心最早用7Cr13管状焊丝进行喷涂实验，测试其机械性能；北京工业大学从1994年开始，在热喷涂粉芯线材的研究和开发方面作了大量的工作，研制出超低碳奥氏体不锈钢耐腐蚀型、马氏体不锈钢耐磨耐蚀型、低碳马氏体打底耐磨型、高硬度型以及防滑耐磨型等，所研制的粉芯线材喷涂工艺性能良好、喷涂质量好、成本低，已广泛应用于油田、矿山、电厂、汽车制造等工业领域[13]。

粉芯丝材应用的另一个重要领域是冶金行业。

在该领域将粉芯丝通常称为包芯线，主要在孕育、炉外精炼、特殊元素合金化三个方面。

该项技术在发达国家已广泛应用，在降低优质钢材生产成本方面，作用十分明显，其用量也相当大，几乎与药芯焊丝用量持平。

但在我国除少数几个中小型冶金企业在孕育方面有少量应用外，在另外两个重要也是主要应用领域儿乎是空白，由于研究费用投入巨大，应用研究的报道也极少见到、除此之外，利用粉芯丝制备技术制备双金属丝
(金属外皮包另一种金属丝)，在我国冶金行业作为稀土元素微量合金化的应用研究有少量试验研究[14]。

在各种热喷涂工艺中，电弧喷涂工艺是一种最适合用于锅炉现场修复的工艺。

粉芯线材的应用推动了电弧喷涂工艺的发展，选用具有优异耐磨耐蚀性能的陶瓷粉末配以一定性能的金属外皮构成的粉芯线材，更加拓宽了电弧喷涂的应用范围，这种金属/陶瓷的复合涂层在循环流化床锅炉的防护领域具有巨大的应用前景。

4 涂层设计和制备方案
涂层的设计基本原理
采用热喷涂技术提高机器设备的耐磨损性、耐磨蚀等性能使得热喷涂越来越引起人们的重视，并在各个领域获得越来越广泛的应用。

但是因其材质、形状、大小及其应用环境、服役条件等存在很大差别，要想成功采用热喷涂涂层来解决所面临的问题，必须遵循特定的过程[15]。

最重要的有以下五个关键过程：1）准确分析问题所在，明确涂层性能要求。

2）合理进行涂层设计，包括正确选择喷涂材料、设备、工艺、以及遵循严格的涂层质量评价体系等。

3）优化涂层制备工艺。

4）严格控制涂层质量。

5）涂层技术的经济可行性分析。

涂层设计起着承上启下的作用，是采用热喷涂技术成功解决实际问题的基础，是所有环节中最重要的环节之一。

在进行喷涂设计时，主要考虑涂层所涉及
到的各个环节，具有明显的系统特性。

因此，为了获得满足使用性能要求的涂层，在进行喷涂前必须进行周密、合理的涂层设计。

我们所研究的是在纸机涂布刮刀，涂层的主要目的是增强刮刀表面的耐磨性。

由于不同的喷涂方法和喷涂材料加之国内外的技术水平的差异，结合强度、硬度、厚度、孔隙、耐磨性等没有特定的限制，借此可以选择出经济、实用的喷涂方法和喷涂材料。

.材料的选择
涂层材料的选择非常关键，因为在热喷涂中粉末的粒度、形状对涂层质量也有着较大的影响。

有些设备的表面形状和表面光洁度要求非常严，喷涂后必须进行表面精磨处理。

如果粉末粒度太细，难以喷涂，粒度太粗，则喷涂后精密加工困难。

以WC陶瓷涂层为例，WC硬度极高，在精磨的过程中，陶瓷颗粒在摩擦力的作用下一粒一粒的脱落。

这样，涂层在精磨后的表面粗糙度和涂层材料的粒度是相关联的，合理选择材料对于涂层的后续加工非常关键。

一般热喷涂材料的选择必须满足如下基本要求：
1.必须满足热喷涂涂层耐磨、耐蚀等的性能的要求。

2.在喷涂火焰的高温焰流中，具有良好的热稳定性或化学稳定性。

不会发生氧
化、挥发、升华而变质，不会发生有害的晶型转变。

3.不会与基体发生有害的化学反应。

4.与基体材料或底层涂层有良好的匹配适应关系。

5.热喷涂材料的工艺性能满足热喷涂的工艺要求。

粉末状热喷涂材料的流动性、粒度和粒度分布、松装密度等应满足粉末等离子喷涂的工艺的要求，粉末应该干燥、清洁。